软硬结合板孔周边聚酰亚胺撕裂改善研究

朱光远 钟美娟 肖 璐

（广东生益电子股份有限公司，广东 东莞 523127）

0 引言

近年来，受消费电子和汽车电子市场发展的影响，软硬结合板需求增长较快，但同时客户对产品的可靠性能要求也越来越严苛。

软硬结合板集挠性板和刚性板的优点于一身，但由于软硬结合板层间存在刚性覆铜板、挠性聚酰亚胺（polyimide，PI）、半固化片、铜等多种材料，各种材料的热膨胀系数、玻璃化转变温度等性能参数有差异，如材料选择或加工参数不匹配，会导致产品可靠性无法满足要求［1］。在流程加工工艺中，主要有层压、钻孔、电镀等与产品可靠性相关。在软硬结合板实际加工过程中，出现钻孔后孔周边PI撕裂现象（如图1所示），对产品可靠性影响较大。

图1 软硬结合板孔周边PI撕裂切片

针对软硬结合板孔周边PI 撕裂不良，本文通过不同种类PI、钻刀和钻孔加工参数对PI撕裂的影响程度，分析确定PI撕裂原因，并制定改善措施，提升软硬结合板的产品质量。

1 孔周边PI撕裂不良原因

针对软硬结合板孔周边PI撕裂不良现象，汇总不良产品信息，采用思维导图方式分析原因，并进行试验验证。

1.1 PI撕裂不良信息汇总

某型号多批次产品均有孔周边PI撕裂不良的情况，该产品为6层通孔板，一次压合，叠构如图2所示，其信息见表1。目前暂未发现其他型号出现不良情况。

图2 不良产品叠构

表1 PI撕裂不良的产品情况信息

经分析和试验可知，问题批次4 批，不良孔径0.40 mm，不良位置为软板芯板层（无铺铜）。对不良产品进行垂直切片和水平切片确认，在常态、热应力和回流焊条件下，软硬结合板的PI 均出现撕裂分层不良情况，如图3所示。

图3 不良产品PI撕裂切片

1.2 软硬结合板孔周边PI撕裂原因

汇总软硬结合板PI撕裂不良信息，初步分析造成不良的原因可能有4点，如图4所示。其中，单型号多批次出现异常，不良位置均位于软板PI 中间，初步排除层压参数异常和电镀参数异常不良。

图4 PI撕裂不良原因思维导图

2 孔周边PI撕裂不良改善试验

2.1 试验设计

分别对软板PI 类型、钻孔参数和钻头展开试验对比，见表2。3个变量具体数值差异见表3。

表2 PI撕裂改善试验设计

表3 PI撕裂改善试验设计

2.2 实验设备及条件

金相显微镜：200倍、锡炉。

立体显微镜：50倍、孔位精度测试仪。

2.3 流程设计

与不良型号一致，使用6 层板通孔设计，叠层结构不变。

试板流程设计流程为：芯板开料→内层前处理→内层线路曝光→层压→铣板边→钻孔→去毛刺→等离子体→水平除胶→水平沉铜→板面电镀→外层前处理→外层线路曝光→外层酸性蚀刻→外层线路扫描→切片分析。

2.4 结果判定

通过水平切片观察PI撕裂情况，并用立体显微镜、孔位精度测试仪对比不同参数的加工效果。

3 试验结果

3.1 不同钻头对PI撕裂的改善效果

发生不良的原软板材料（A 类PI），叠板数2块，使用UC 钻头和USF 钻头加工对比，2 种钻头的螺旋角均为40°，刃长均为6.5 mm。加工后，在立体显微镜下观察达到寿限钻头的缠丝情况。加工结果如图5所示。

图5 加工后不同钻头效果

由图5可知，USF 钻头未有缠丝，UC 钻头有轻微缠丝残留。测试2种钻头加工后产品钻孔的精度，两者孔位精度均满足±0.075 mm要求。以水平切片确认不同钻刀对PI撕裂的改善效果，结果如图6所示，2种钻头以原钻孔参数在原软板基材制作，加工后均出现PI撕裂不良。

图6 不同钻头加工后水平切片

综上所述，原UC钻头和USF钻头以相同参数完成钻孔加工，USF钻头可改善钻头缠丝，但成品仍出现PI撕裂不良，说明PI撕裂不是由钻头缠丝导致，增加钻头排屑量对PI 撕裂不良无明显改善作用。

3.2 提高钻速和落速对PI撕裂的改善结果

发生不良的原软板材料（A 类PI），叠板数2块，以原UC钻头使用不同的钻孔参数加工，并测试钻孔精度，提高钻速和落刀速，孔位精度满足±0.075 mm要求。电镀后，以水平切片确认提高钻速和落速对PI撕裂改善效果，但提高钻速产品仍然出现PI撕裂不良。

综上所述，加快钻速、减少钻头与PI的加工接触时间不能改善PI撕裂不良，排除钻速过慢导致PI被拉裂的可能。

3.3 不同软板PI产品对PI撕裂的改善结果

发生不良的原软板材料（A类PI）和其他软板材料（B类PI）制作软硬结合板产品，叠板数2块，以原UC钻头和原钻孔参数加工，加工后平磨水平切片，结果如图7所示。

由图7可知，钻孔加工参数不变，使用B 类PI 制作的软硬结合板产品未出现PI 撕裂不良，而原A 类PI 制作的软硬结合板产品仍出现PI 撕裂不良。

图7 不同软板材料产品水平切片

综上所述，PI撕裂不良与软板材料性能相关，使用B 类PI 制作软硬结合板可改善钻孔PI 撕裂不良情况。

4 分析与讨论

4.1 软硬结合板PI撕裂产生的机理

软硬结合板钻孔过程主要是钻刀对材料切削，以及材料特性对切削影响相互作用的过程。软硬结合板PI撕裂产生原因从上述2方面分析。

钻头进入材料时，钻头侧刃对材料切削和挤压，导致材料发生形变，但材料本身存在反作用力，阻止材料发生形变，如图8所示。

图8 软硬结合板钻孔加工示意

软硬结合板中有PI、FR4、半固化片和铜材料，钻孔后的FR4、半固化片及PI 出现分层或撕裂的特性值为弹性模量和抗撕裂强度。各材料特征值见表4。

在表4中，弹性模量为材料抗弹性变形力。弹性模量大的材料，其弹性变形小，而抗撕裂强度为撕裂薄膜试样所需的力。

表4 A类PI与B类PI性能参数表

由表4可知，A 类PI 弹性模量值最小，在钻孔加工时，其材料弹性变形量比B 类PI 和FR4 的材料大。A 类PI 材料发生形变时，其材料自身反作用力（抗撕裂强度）比B类PI和FR4的材料小，导致其在钻孔加工后容易出现撕裂不良情况。

4.2 A类PI与B类PI性能差异

PI 是主链含亚胺结构的聚合物统称。其中亚胺骨架在主链结构上的聚合物不仅合成困难且无实用性，但环状结构的聚酰亚胺实用性强，因此一般所说的PI是指环状PI，如图9所示。

图9 直链和环状聚酰亚胺分子结构

PI 还可进一步分为由芳香族四羧酸和二胺为原料、通过缩聚反应得到的缩聚型PI，该种材料已被大规模商品化，应用广泛。其中，A 类PI 和B 类PI的合成方法相同，但采用的芳香族四羧酸分子不一样，A 类、B 类PI 的合成反应式如图10所示。

图10 A类、B类PI合成反应示意

由图10可知，A 类PI 合成时使用了均苯四羧酐，B 类PI 合成时使用了联苯四羧酸二酐，两者的化学单体不一致，后者的分子量比前者大。

横田力男［2］认为，PA 合成单体分子量对最终得到的PI 薄膜的拉伸特性（拉伸强度、断裂伸长和拉伸模量）有较大影响。因此，与A 类PI 相比，B类PI具有更高的抗撕裂强度。

4.3 试验验证

使用B 类PI 软板板材制作试板，保持原叠层设计和钻孔生产参数，软板层不铺铜，孔径分别为0.2、0.3 和0.4 mm，孔壁间距0.45 mm，孔限1 000，按原流程生产测试。电镀后，分别进行水平切片和垂直切片确认，结果如图11所示。

图11 B类PI软板不同孔径切片

由图11可知，试板中不同孔径的测试模块垂直切片和水平切片均未出现PI撕裂不良，钻孔参数、钻头类型等生产条件均未变更，将软板材料更换为B类PI可改善软硬结合板PI撕裂不良。

综上所述，软板材料性能对孔周边PI撕裂影响最大。使用抗撕裂强度小的A 类PI 制作软硬结合板，容易出现PI撕裂不良，说明增大材料抗撕裂强度可解决软硬结合板PI撕裂问题。

5 结论

本文通过实验对比钻头、钻孔参数和不同软板材料对孔周边PI撕裂的影响，研究了软硬结合板孔周边PI撕裂问题，并得到如下结论：

（1）A类PI使用均苯四羧酐与二胺合成，B类PI使用联苯四羧酐二酐与二胺合成，单体联苯四羧酐合成的B 类PI 分子量更大，其抗撕裂表现更佳；

（2）A类PI材料抗撕裂强度值低，钻孔时材料形变超出材料本身的抗撕裂强度，是导致软硬结合板孔周边PI撕裂的根本原因；

（3）加快钻头钻速对孔周边PI 撕裂无改善作用；

（4）通过增加排屑量的钻头对软硬结合板的孔周边PI撕裂无改善作用。